计算机程序的思维逻辑 (82)

本节，我们来探讨一个特殊的概念，线程本地变量，在Java中的实现是类ThreadLocal，它是什么？有什么用？实现原理是什么？让我们接下来逐步探讨。

基本概念和用法

线程本地变量是说，每个线程都有同一个变量的独有拷贝，这个概念听上去比较难以理解，我们先直接来看类TheadLocal的用法。

ThreadLocal是一个泛型类，接受一个类型参数T，它只有一个空的构造方法，有两个主要的public方法：

public T get()
public void set(T value)

set就是设置值，get就是获取值，如果没有值，返回null，看上去，ThreadLocal就是一个单一对象的容器，比如：

public static void main(String[] args) {
    ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<>();
    local.set(100);
    System.out.println(local.get());
}

输出为100。

那ThreadLocal有什么特殊的呢？特殊发生在有多个线程的时候，看个例子：

public class ThreadLocalBasic {
    static ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread child = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("child thread initial: " + local.get());
                local.set(200);
                System.out.println("child thread final: " + local.get());
            }
        };
        local.set(100);
        child.start();
        child.join();
        System.out.println("main thread final: " + local.get());
    }
}

local是一个静态变量，main方法创建了一个子线程child，main和child都访问了local，程序的输出为：

child thread initial: null
child thread final: 200
main thread final: 100

这说明，main线程对local变量的设置对child线程不起作用，child线程对local变量的改变也不会影响main线程，它们访问的虽然是同一个变量local，但每个线程都有自己的独立的值，这就是线程本地变量的含义。

除了get/set，ThreadLocal还有两个方法：

protected T initialValue()
public void remove()

initialValue用于提供初始值，它是一个受保护方法，可以通过匿名内部类的方式提供，当调用get方法时，如果之前没有设置过，会调用该方法获取初始值，默认实现是返回null。remove删掉当前线程对应的值，如果删掉后，再次调用get，会再调用initialValue获取初始值。看个简单的例子：

public class ThreadLocalInit {
    static ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<Integer>(){

        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 100;
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(local.get());
        local.set(200);
        local.remove();
        System.out.println(local.get());
    }
}

输出值都是100。

使用场景

ThreadLocal有什么用呢？我们来看几个例子。

DateFormat/SimpleDateFormat

ThreadLocal是实现线程安全的一种方案，比如对于DateFormat/SimpleDateFormat，我们在32节介绍过日期和时间操作，提到它们是非线程安全的，实现安全的一种方式是使用锁，另一种方式是每次都创建一个新的对象，更好的方式就是使用ThreadLocal，每个线程使用自己的DateFormat，就不存在安全问题了，在线程的整个使用过程中，只需要创建一次，又避免了频繁创建的开销，示例代码如下：

public class ThreadLocalDateFormat {
    static ThreadLocal<DateFormat> sdf = new ThreadLocal<DateFormat>() {

        @Override
        protected DateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        }
    };

    public static String date2String(Date date) {
        return sdf.get().format(date);
    }

    public static Date string2Date(String str) throws ParseException {
        return sdf.get().parse(str);
    }
}

需要说明的是，ThreadLocal对象一般都定义为static，以便于引用。

ThreadLocalRandom

即使对象是线程安全的，使用ThreadLocal也可以减少竞争，比如，我们在34节介绍过Random类，Random是线程安全的，但如果并发访问竞争激烈的话，性能会下降，所以Java并发包提供了类ThreadLocalRandom，它是Random的子类，利用了ThreadLocal，它没有public的构造方法，通过静态方法current获取对象，比如：

public static void main(String[] args) {
    ThreadLocalRandom rnd = ThreadLocalRandom.current();
    System.out.println(rnd.nextInt());
}

current方法的实现为：

public static ThreadLocalRandom current() {
    return localRandom.get();
}

localRandom就是一个ThreadLocal变量：

private static final ThreadLocal<ThreadLocalRandom> localRandom =
    new ThreadLocal<ThreadLocalRandom>() {
        protected ThreadLocalRandom initialValue() {
            return new ThreadLocalRandom();
        }
};

上下文信息

ThreadLocal的典型用途是提供上下文信息，比如在一个Web服务器中，一个线程执行用户的请求，在执行过程中，很多代码都会访问一些共同的信息，比如请求信息、用户身份信息、数据库连接、当前事务等，它们是线程执行过程中的全局信息，如果作为参数在不同代码间传递，代码会很啰嗦，这时，使用ThreadLocal就很方便，所以它被用于各种框架如Spring中，我们看个简单的示例：

public class RequestContext {
    public static class Request { //...
    };

    private static ThreadLocal<String> localUserId = new ThreadLocal<>();
    private static ThreadLocal<Request> localRequest = new ThreadLocal<>();

    public static String getCurrentUserId() {
        return localUserId.get();
    }

    public static void setCurrentUserId(String userId) {
        localUserId.set(userId);
    }

    public static Request getCurrentRequest() {
        return localRequest.get();
    }

    public static void setCurrentRequest(Request request) {
        localRequest.set(request);
    }
}

在首次获取到信息时，调用set方法如setCurrentRequest/setCurrentUserId进行设置，然后就可以在代码的任意其他地方调用get相关方法进行获取了。

基本实现原理

ThreadLocal是怎么实现的呢？为什么对同一个对象的get/set，每个线程都能有自己独立的值呢？我们直接来看代码。

set方法的代码为：

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

它调用了getMap，getMap的代码为：

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

返回线程的实例变量threadLocals，它的初始值为null，在null时，set调用createMap初始化，代码为：

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

从以上代码可以看出，每个线程都有一个Map，类型为ThreadLocalMap，调用set实际上是在线程自己的Map里设置了一个条目，键为当前的ThreadLocal对象，值为value。ThreadLocalMap是一个内部类，它是专门用于ThreadLocal的，与一般的Map不同，它的键类型为WeakReference<ThreadLocal>，我们没有提过WeakReference，它与Java的垃圾回收机制有关，使用它，便于回收内存，具体我们就不探讨了。

get方法的代码为：

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null)
            return (T)e.value;
    }
    return setInitialValue();
}

通过线程访问到Map，以ThreadLocal对象为键从Map中获取到条目，取其value，如果Map中没有，调用setInitialValue，其代码为：

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

initialValue()就是之前提到的提供初始值的方法，默认实现就是返回null。

remove方法的代码也很直接，如下所示：

public void remove() {
   ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
   if (m != null)
       m.remove(this);
}

简单总结下，每个线程都有一个Map，对于每个ThreadLocal对象，调用其get/set实际上就是以ThreadLocal对象为键读写当前线程的Map，这样，就实现了每个线程都有自己的独立拷贝的效果。

线程池与ThreadLocal

我们在78节介绍过线程池，我们知道，线程池中的线程是会重用的，如果异步任务使用了ThreadLocal，会出现什么情况呢？可能是意想不到的，我们看个简单的示例：

public class ThreadPoolProblem {
    static ThreadLocal<AtomicInteger> sequencer = new ThreadLocal<AtomicInteger>() {

        @Override
        protected AtomicInteger initialValue() {
            return new AtomicInteger(0);
        }
    };

    static class Task implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            AtomicInteger s = sequencer.get();
            int initial = s.getAndIncrement();
            // 期望初始为0
            System.out.println(initial);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
        executor.execute(new Task());
        executor.execute(new Task());
        executor.execute(new Task());
        executor.shutdown();
    }
}

对于异步任务Task而言，它期望的初始值应该总是0，但运行程序，结果却为：

0
0
1

第三次执行异步任务，结果就不对了，为什么呢？因为线程池中的线程在执行完一个任务，执行下一个任务时，其中的ThreadLocal对象并不会被清空，修改后的值带到了下一个异步任务。那怎么办呢？有几种思路：

1. 第一次使用ThreadLocal对象时，总是先调用set设置初始值，或者如果ThreaLocal重写了initialValue方法，先调用remove
2. 使用完ThreadLocal对象后，总是调用其remove方法
3. 使用自定义的线程池

我们分别来看下，对于第一种，在Task的run方法开始处，添加set或remove代码，如下所示：

static class Task implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        sequencer.set(new AtomicInteger(0));
        //或者 sequencer.remove();
        
        AtomicInteger s = sequencer.get();
        //...
    }
}

对于第二种，将Task的run方法包裹在try/finally中，并在finally语句中调用remove，如下所示：

static class Task implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        try{
            AtomicInteger s = sequencer.get();
            int initial = s.getAndIncrement();
            // 期望初始为0
            System.out.println(initial);    
        }finally{
            sequencer.remove();
        }
    }
}

以上两种方法都比较麻烦，需要更改所有异步任务的代码，另一种方法是扩展线程池ThreadPoolExecutor，它有一个可以扩展的方法：

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

在线程池将任务r交给线程t执行之前，会在线程t中先执行beforeExecure，可以在这个方法中重新初始化ThreadLocal。如果知道所有需要初始化的ThreadLocal变量，可以显式初始化，如果不知道，也可以通过反射，重置所有ThreadLocal，反射的细节我们会在后续章节进一步介绍。

我们创建一个自定义的线程池MyThreadPool，示例代码如下：

static class MyThreadPool extends ThreadPoolExecutor {
    public MyThreadPool(int corePoolSize, int maximumPoolSize,
            long keepAliveTime, TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue);
    }

    @Override
    protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
        try {
            //使用反射清空所有ThreadLocal
            Field f = t.getClass().getDeclaredField("threadLocals");
            f.setAccessible(true);
            f.set(t, null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        super.beforeExecute(t, r);
    }
}

这里，使用反射，找到线程中存储ThreadLocal对象的Map变量threadLocals，重置为null。使用MyThreadPool的示例代码如下：

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executor = new MyThreadPool(2, 2, 0,
            TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    executor.execute(new Task());
    executor.execute(new Task());
    executor.execute(new Task());
    executor.shutdown();
}

使用以上介绍的任意一种解决方案，结果就符合期望了。

小结

本节介绍了ThreadLocal的基本概念、用法用途、实现原理、以及和线程池结合使用时的注意事项，简单总结来说：

• ThreadLocal使得每个线程对同一个变量有自己的独立拷贝，是实现线程安全、减少竞争的一种方案。
• ThreadLocal经常用于存储上下文信息，避免在不同代码间来回传递，简化代码。
• 每个线程都有一个Map，调用ThreadLocal对象的get/set实际就是以ThreadLocal对象为键读写当前线程的该Map。
• 在线程池中使用ThreadLocal，需要注意，确保初始值是符合期望的。

从65节到现在，我们一直在探讨并发，至此，基本就结束了，下一节，让我们一起简要回顾总结一下。